简化微控制器整合复杂度 多传感器解决方案持续优化
- DIGITIMES企划
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微控制器搭配传感器应用整合设计，可应用于不同的使用环境，因应智能手机、平板电脑设计需求，可建构具多元环境或装置传感的人机界面用途，而智能手机、平板电脑甚至新颖的变形笔记本电脑可用机构空间越来越小，高度整合的传感解决方案正可因应设计需求…
传感器应用在智能手机大量采用后，成为相当热门的关键零组件，尤其在智能手机、平板电脑等装置，不同功能的传感器不仅具备感知环境变化的功效，像是加速度计、陀螺仪等，也可因应传感装置的移动或角度变化建构另人机操作界面应用环境，新颖的操控体验与各种结合传感器的应用软件相继推出，也让智能移动设备搭载传感器成为必要的关键设计。
智能装置传感应用大增 刺激传感元件用量
除了智能装置的传感器应用需求外，在新颖的穿戴式应用中，传感器元件更肩负关键的应用角色，因为穿戴式设备的核心应用为记录使用者的运动或生理信息，透过传感器的不同环境、状态感知特性，可进一步取得穿戴装置配戴者的步伐数、动态、或是心跳、体温等生理状态进行记录、分析，而在2014年穿戴式智能装置可以说是继智能手机之后更大的市场商机，可以想见传感器的整合应用在移动或是穿戴设备的设计开发份量将会越来越重。
在以往设计方案中，在导入传感器设计元件前，大多会先依产品需求列出传感器需求，开发端再选用传感器方案后列出元件列表并进行设计整合，完成工程样机后再进行系统韧体与软件整合，在实际的开发进程上往往会因对特定传感器的掌握度差异而影响开发进度，甚至因为部分传感器的韧体问题影响后续产品优化的成果。
因应多传感器整合需求 智能产品设计日趋复杂
早期传感元件在载板上的布局大多受限于传感元件特性限制，仅能放置特定区块或是需避开射频元件进行设计，在载板空间越来越小的设计环境下，追加传感器元件等于也是增加了电子电路布局的困难度，多传感器应用需求下也就产生更复杂的电路设计与整合成本，不只是线路、元件、与微控制器的整合难度增加，在产品设计后期进行电子电路功耗优化设计时，也会因为离散配置的传感器元件与系统设计，导致功号优化的工程难度增加，甚至造成电池续航力不彰的主要问题来源。
因应多传感器的设计潮流，也有传感器解决方案业者推出高度整合的传感器模块，或是以传感器中枢(sensor hub)整合的产品方案，尤其是针对越来越多装置搭载多传感器的需求暴增，加上传感器成本在大量使用下持续探底，也导致开方装置的传感器整合需求负荷增加，形成设备在开发功能验证的新瓶颈，而透过传感器解决方案的模块设计或是sensor hub应用方案，可以将微控制器搭配多传感器的设计开发负荷大幅减轻，因为在解决方中已预先提供参考设计与软件整合资源，在开发端仅需参考或微调参考设计进行产品开发，即可避免导入新传感元件需重新累积相关开发经验与资源的时间与成本耗损。
智能装置传感功能骤增 以多传感器解决方案改善设计
智能手机、平板电脑、穿戴装置等热门智能装置，所搭载的传感元件大多已经超过3种以上，像是环境光传感器、地磁传感器、加速度计、陀螺仪…等，甚至是环境温度传感器、气压计、湿度计等，都已经成为热门电子产品整合的传感应用功能，对于不同传感器的部署与软件整合特性差异也相当大，这些问题也将导致产品研发时程会花过冬资源解决相关开发问题。透过提供模块化的传感元件解决方案或是以多传感器整合需求优化的sensor hub套装产品，则可加速多传感器与产品设计的整合时程，把更多资源投入更值得进行优化的产品核心应用功能。
在功耗优化需求方面，目前微控制器本身的功耗优化已具备极佳的表现，先前也提过早期传感器整合设计，虽可在传感应用功能与核心系统顺畅衔接，但实际上在功耗优化方面开发者却要花更多精力进行设计整合，因为当核心的微控制器进入不同阶段的节电模式时，对不同传感元件的应用需求不同，甚至也可适时关闭特定传感元件电路使整体功耗表现更佳。
多传感器设计 增加电源管理整合复杂度
但若是离散式的传感元件整合，即会造成传感元件电力管理与微控制器整合的难度增加，甚至是微控制器若在进入节能或关闭状态时，其最终传感状态是否需暂存？还需额外设计进行处理，或是当微控制器被使用者需求唤醒进入高效能模式时，周边传感器元件电路能否及时同步唤醒进入正常运作状态，这些复杂的功耗优化相关设计与整合，都需要耗用不少开发资源。
以现有的多传感器解决方案，不仅可在传感器部署、整合上大幅节省开发资源，同时在深度的多传感器与微控制器的整合设计，也能在与微控制器的整合优化提供极佳的支持，尤其是多传感器解决方案可透过一低功耗微控制器进行多传感器的执行状态、启闭状态进行管控，而不是直接由智能手机、平板电脑或是穿戴装置担负通用运算用途的微控制器进行管理，等于是可以把智能装置的核心运算能力自多传感器状态管理的运算需求中释放出来，不仅可以有效区隔将为多传感器的相关应用建构成功能子系统独立进行开发与整合，也能有效地优化整体智能装置的功耗表现。
极低功耗MCU 可优化传感器子系统管理能力
而透过多传感器解决方案内置的低功耗微控制器管理，多个传感元件可以有效达成较佳之传感器电源管理应用需求，不仅可把管理传感器的运算负荷自核心微控制器中释出，同时也能运用更紧密的整合架构，有效控管各传感器的使用状态、功耗表现等，节省开发资源，同时也能让系统架构更趋完整。而作为管理多传感器的微控制器，在相关多传感器解决方案中，有些使用低功耗MCU，或是ARM Cortex M0+或是具更低功耗表现的ARM Cortex M4进行多传感器管理。
更新颖的做法是，多传感器解决方案除可将传感器设计形成一产品的子系统外，由于其电源管理有自己的低功耗微控制器进行管控，也能独立于智能装置的系统节能设计之外，例如，就有新款智能手机使用新颖的屏幕手势指令解除装置锁定设计，也就是说当智能手机进入系统睡眠、屏幕锁定状态时，使用者还可以在未启动的屏幕透过手势指令唤醒手机停止睡眠，其实这种功能设计就必须仰赖使用具低功耗微控制器整合的多传感器解决方案支持，以传感手势操作前的拾起手机的微弱晃动唤醒触控屏幕功能，让手机装置得以透过分析手势进行设备唤醒，可在兼顾整体功耗要求下扩展新颖的设计应用。
区隔传感子系统设计 可衍生更多新颖设计方案
有区隔电源管理设计，也可进一步发展更新颖的生理监控、运动监控设计应用，例如，可让智能手机、平板电脑在睡眠状态时，也能使用传感元件进行环境或是动态数据撷取，再利用其传感子系统进行数据记录。这样一来就可以在有效降低智能装置的运作功耗下进行运动与生理数据传感数据撷取的设计要求，因为智能装置最耗电的通用运算微控制器、显示芯片、触控屏幕都可以进入节能睡眠状态，而传感子系统本身可以在装置睡眠期间持续进行数据撷取、记录，待设备唤醒时再将纪录数据转由智能装置的通运算处理器进行分析演算与数据图形化呈现。
这种可在节能设计进行区隔的设计方向，尤其适用对整体功耗要求更高的穿戴装置产品，以目前极热门的智能手环产品为例，市售智能手环的电池设计，碍于手环尺寸较小、较轻，可搭载的电池容量相当有限，一般智能手环在不开启无线连结功能大多可以维持2？3日连续使用不需充电，而在开启无线连结功能后，电池续航能力马上打对折，变成仅有不到一天的电池续航能力，但实际的使用状态下无线连结功能并不是非要不可的功能，反而可以善用传感子系统在极低用电量的条件下持续进行运动、生理数据监控纪录，需要呈现数据或无线连结时，再利用热键或是指令唤醒智能手环的核心应用系统，达到装置功耗更大的优化效果。
